基于PMAC的管道插接焊接机器人控制软件设计

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摘 要：基于BorlandC++开发环境和PComm32PRO动态链接库,管道插接焊接机器人系统的控制软件得到了开发.笔者首先对焊接机器人系统的构成及多轴运动控制器的功能及开放式软件的体系结构进行了介绍；然后,描述了开放式焊接机器人控制软件模块的功能与开发构想,这个系统由运动控制模块、状态监控模块、系统设置模块、数据管理模块和在线指令模块五个模块组成.在实际焊接应用过程中表明,该软件系统稳定性好,具有很好可移植性,各个功能模块具有很好的开放性.

关 键 词：PMAC；开放；焊接；机器人；软件

中图分类号：TH242

在现代焊接生产中,化工和锅炉等行业中普遍采用的连接形式是插管焊接,然而目前的使用要求现有的焊接机器人系统根本无法做到,因此,这个行业仍然依靠的是焊工的手工操作,这样无形中增加了焊接工人的劳动强度,再加上恶劣的工作环境,使得焊接质量无法得到保证[1].针对管道插接还接自动化应用方面的问题,设计了管道插接专用焊接机器人,实现了管道插接相贯线焊缝的焊接功能,并基于PMAC（ProgrammableMulti-AxisController）的开放式控制模式,对开放式管道插接专用焊接机器人系统与控制方法进行了详细阐述.

1管道插接专用焊接机器人的系统构成与工作原理

1.1系统构成

焊接机器人、机器人控制系统及焊接电源是构成管道插接专用焊接机器人系统的三大部分.焊接机器人主要由锚固机构、腰部旋转机构、自定心手腕机构、2自由度位移机构与送丝机构组成,其结构如图1所示.焊接过程中,将机

图1焊接机器人结构图

器人通过锚固机构固定在支管上,通过腰部旋转机构和2自由度位移机构来实现焊轨迹的控制,通过自定心手腕机构来控制焊姿态的调整[2].

1.2多轴运动控制器PMAC

系统主控制器选择的是美国DeltaTauDataSystems公司生产的多轴运动控制卡PMAC2A-PC/104,这个控制器的CPU是摩托罗拉公司生产的高性能数字信号处理器DSP56K,是目前世界上主流的运动控制器之一,可以同时控制多达32轴,如图2.

图2PMAC运动控制器

2控制系统平台软件设计

2.1焊接机器人的软件体系结构

在这个控制系统中,开放式控制系统的软件结构对于整个系统的开放性能有较大的影响.每个功能模块的独立性和整个控制系统的开放性之间是相辅相成的,功能模块的独立性越好则整个控制系统的开放性就越好[3].根据开放式结构设计的理念,设计了分层递阶结构的焊接机器人软件体系[4],如图3所示.根据载体的不同可将软件系统分为两个部分：一部分是上位机软件,依据模块化设计的思想开发的控制系统的各个功能模块.另一部分是PMAC自身的软件,通过在上位机软件中调用动态链接库PComm32.DLL（由PAMC应用开发工具中提供）,建立起上位机软件与PMAC软件之间的通讯接口,从而得以传输数据和命令.

图3焊接机器人的软件体系结构

2.2焊接机器人控制软件的结构设计

系统开发环境采用builder6.0BorlandC++与DeltaTau所提供的PComm32PRO动态链接库,数据库管理则用SQLServer2005,在此基础上开发了管道插接焊接机器人系统的控制软件.

由系统设置模块、运动控制模块、状态监控模块、数据管理模块、专家系统模块、在线指令模块和通讯模块组成的上机位系统控制软件并不直接与外部设备通讯,属于数据管理类程序和辅助类程序.基于PAMC语言开发的在PMAC内的I/O状态监控、运动程序、PLC程序与数据采集处理模块是实际直接和外设进行通讯的程序.下文笔者将着重讲解系统中五个重要功能模块的开发思想发展过程.

3控制系统软件开发

3.1运动控制模块

直接控制机器人关节运动的手动指令与调用PMAC内部运动程序两种类型的控制指令构成该模块.

本系统的运动程序的设计只针对管道插接相贯线焊缝,它是针对管道插接而建立的专用机器人焊接系统,因此,系统依照管道插接的数学模型,相应创建了通用的机器人焊轨迹控制、焊姿态控制、焊接电源参数控制、送丝速度控制与其它辅助运动控制的运动程序.机器人运动程序中主要包含PTP、直线、圆弧这三种插补运动方式.要实现对机器人的运动控制需要根据相贯线模型,通过对焊接过程进行规划,然后分别调用不同的运动程序来进行.在调用机器人运动程序时,只需对调用的运动程序给予必要的控制参数就可以了.

3.2系统设置模块

在焊接机器人系统中,PMAC直接与外部设备通讯,在PMAC中,许多外设的性能参数被以I变量的形式储存.Pwin32平台软件是由DeltaTau公司提供的对I变量设置的窗口,然而这个后台软件中有1024个I变量,开发人员很难直接对其进行操作,这样以来产生误操作的几率大大提高,系统的可靠性就会降低,所以必须建立该系统设置模块.系统设置模块将卡内全部的I变量都包含在内,且在上位机的SQL与Server数据库中创建和PMAC卡相对应的I变量数据,随PMAC卡中的I变量变化而自动更新,方便用户对I变量进行检查与操作,系统变量设置如图4.

图4系统变量对话框

通过这样的设置功能,前台一方面用可视化窗口的形式进行操作,另一方面也可以对同类参数统一进行管理,这样既可以提高系统的可操作性,又降低操作者的误操作.

3.3状态监控模块

状态监控模块主要负责监视整个焊接机器人系统的运行状态,并实时显示出来,一旦系统运行状态出现问题,就会立即报警,焊接机器人系统的焊接任务会依照错误事件的级别决定是否结束,以此来提高系统的安全性.

依靠PMAC的DPRAM提供的实时固定数据缓冲（DPRRealTimeFixedDataBuffer）功能状态监控模块的开发才能够得以实现.该功能是PMAC用固定的数据结构不断更新DPR中的一个特定区域.在这个数据结构中包含有用的电机信息与能够被主应用程序访问的数据,例如：电机的位置、速度等.

3.4在线指令模块

在线指令模块的是以PMAC的在线指令和PComm32中提供的有关函数为基础.它的工作原理是操作人员由键盘输入在线指令,PComm32中的ASCII通讯函数再把该指令发送给PMAC,PMAC执行对应的操作,同时返回有关的信息,显示指令的执行结果.PMAC的在线指令与计算机的DOS命令相似由一些字符串与计算机键盘组合键构成.

3.5数据管理模块

数据管理模块的主要功能是：运动程序Program与PLC程序的管理、PMAC内部参数P变量与M变量的管理；

（1）运动程序Program与PLC程序管理

在焊接机器人系统焊接作业时,PMAC卡中运动程序是运动控制的核心,而PLC程序是逻辑控制的核心.因为在PMAC卡中存储的程序缺少注释,随着程序内容的不断增多,对于二次开发者理解程序的难度会逐渐加大；此外程序的开发因为直接进入Pwin32后台进行程序编写而受到影响,所以有必要对运动程序与PLC程序管理的功能进行开发,如图5：

运动程序与PLC程序操作人员可以在编辑窗口进行编写,编写好程序在下载到PMAC的过程中可以在窗口中显示PMAC的下载反馈信息,以此来判断程序下载是否被PMAC正常执行.同时在向PMAC下载程序的时候,程序被系统自动保存于数据库中.若用户打算浏览PMAC卡中程序的内容,不需要上载PMAC中的源程序,只需调出数据库中保存的带有注释的程序就可以.这样一方面减少了因为操作失误而改变卡中程序内容情况的发生,另一方面也为用户的使用提供了方便.

图5PMAC程序管理界面

（2）PMAC内部参数P、M变量管理

在PMAC中,与上位机开发软件有差别,PLC与运动程序的变量,只能用PComm32PRO中已定义的1024个P变量与1024个M变量,并且在使用时都被当做全局变量.此外,P变量使用时一般被当做数值变量,M变量在使用时一方面被作为数值变量,另一方面又被当做地址变量.随着内容的不断扩充,在程序的二次开发过程中,势必要造成变量使用上的混乱.为了确保系统的安全性与方便程序的二次开发,有必要创建数据管理模块,如图6所示.

4结论

（1）基于BorlandC++开发环境和PComm32PRO动态链接库,开发了管道插接焊接机器人系统的控制软件,实现了管道插接焊接过程的自动控制.

（2）该控制系统软件,采用了模块化的设计思想,具有很好的开放性和可移植性,软件实现了硬件系统参数的可视化管理,提高了系统的可操作性和安全性,实现了整个焊接过程的数据管理和实时监控.

a）P变量管理

b）P变量设置

c）M变量管理

d）M变量设置

图6P和M变量管理界面